一種便攜式車內氣體檢測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種便攜式車內氣體檢測系統及方法，該系統包括傳感器陣列、傳感器信號采集處理模塊、中央處理模塊和結果輸出模塊，首先由傳感器陣列采集車內的空氣信息，并將采集到的空氣信息轉換成電壓信號傳送到傳感器信號采集處理模塊，再由傳感器信號采集處理模塊將接收到的電壓信號進行AD轉換得到數字信號，最后由中央處理模塊對數字信號進行解析識別出空氣中的氣體種類和濃度，并由結果輸出模塊輸出識別結果。通過該系統及方法能夠針對車內空氣污染進行檢測，快速實時便捷地定量識別出車內多種有害氣體的濃度。
【專利說明】一種便攜式車內氣體檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及人工嗅覺【技術領域】及計算機【技術領域】，具體涉及一種便攜式車內氣體檢測系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國社會經濟的發展，汽車消費均呈現持續、高速增長的趨勢。目前，我國的大城市已進入汽車增長的高峰時期，家用汽車已經成為人們代步的工具，走入了許多家庭。在汽車產業高速發展的同時，車內環境污染也受到社會各界的高度重視。其主要原因，一是社會公眾的環境意識和自我保護意識不斷提高，對直接關系身體健康的車內空氣質量日益關注；二是消費者對汽車舒適性和感觀的要求越來越高，汽車生產企業和裝飾企業在設計、生產汽車和提供汽車裝飾服務時，為適應消費者的要求，不斷提高車內設施的裝飾水平及車廂密閉性，使車內空氣污染物更容易聚積而產生污染；三是個別汽車生產和裝飾企業為降低成本、提高產品市場競爭力，采用一些質量不高甚至對人體健康有害的劣質材料，加劇了車內空氣污染。如何進行車內空氣質量的控制與凈化，保障駕乘人員的健康安全，已經成為整個汽車行業迫切解決的問題。因此對于汽車車內的空氣質量問題，應投人更多的關注與研究，選擇車內環境檢測市場是一個利國利民的產業領域。
[0003]現有技術中，空氣質量檢測的方法主要分為實驗室檢測和現場檢測兩種。從目前公開的產品和技術方案來看，實驗室檢測需要專業檢測機構進行現場采氣、保存、運輸、固相吸附、熱脫附等大量紛繁復雜的專業性操作，而且還必須配備如氣相色譜儀、質譜儀等大量昂貴的專業儀器，不僅所需的勞動強度大，而且承擔經濟費用高，也不能現場進行實時監測。現場檢測主要有分光光度法和氣體傳感器法。分光光度法需要專業的分光光度計，還需要現場采氣以及多種試劑滴定比色等大量紛繁復雜的專業性操作，耗時較長，稍有操作差異結果會不準確；基于氣體傳感器的空氣質量檢測儀主要利用電化學傳感器、催化燃燒傳感器、紅外線傳感器等對氣體進行檢測,其往往過分強調傳感器的高度選擇性,對某種特定氣體進行識別，而忽略了氣體傳感器的廣譜響應和氣體傳感器之間的交叉敏感性，使得檢測的氣體種類單一，主要針對氧氣、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣、可燃氣體等無機氣體和甲醛、苯等少量幾種有機氣體，不能滿足車內多種有機污染物同時檢測的要求。對于大量有機揮發物的檢測，基于氣體傳感器的空氣質量檢測儀往往使用光離子傳感器，對有機揮發物總量進行檢測，而不能確定有機揮發物的種類及其濃度。這樣就造成了用戶無法知道每一種有害物質的濃度，無法與國家標準進行比對，也就不知道具體是哪一種有害物質超標，以便采取相應的應對措施。
[0004]目前國家逐步對車內環境檢測越來越重視，也頒布了相關標準，但是我國車內環境檢測行業仍屬于剛剛起步階段，對于車內有害氣體的檢測也僅僅限于實驗室階段，如何針對目前的形勢，研究利用人工嗅覺技術的車內有害氣體檢測方法，設計開發便攜式車內有害氣體檢測儀器尤為重要。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種便攜式車內氣體檢測系統及方法，通過該方法能夠同時快速檢測車內多種有害氣體的種類和濃度。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0007]—種便攜式車內氣體檢測系統，該系統包括傳感器陣列，傳感器陣列與傳感器信號采集處理模塊連接，傳感器信號采集處理模塊與中央處理模塊連接，中央處理模塊與結果輸出模塊連接，其中:
[0008]傳感器陣列用于采集車內的空氣信息，并將采集到的空氣信息轉換成電壓信號傳送到傳感器信號采集處理模塊；所述的空氣信息包括氣體信息和溫度信息；
[0009]傳感器信號采集處理模塊用于接收傳感器陣列傳送的電壓信號，并將電壓信號進行AD轉換得到數字信號；
[0010]中央處理模塊用于接收傳感器信號采集處理模塊傳送的數字信號，提取數字信號的信號特征，并根據信號特征利用設定的模式識別算法識別出氣體種類和濃度；
[0011]結果輸出模塊用于輸出中央處理模塊的識別結果。
[0012]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，該系統還包括傳感器信號調理電路，傳感器陣列通過傳感器信號調理電路與傳感器信號采集處理模塊連接，傳感器信號調理電路用于對傳感器陣列輸出的電壓信號進行預處理后傳送到傳感器信號采集處理模塊；所述的預處理包括濾波、去噪和放大處理。
[0013]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，所述的傳感器陣列包括多個氣體傳感器、I個溫度傳感器和I個濕度傳感器。
[0014]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，所述的氣體傳感器為金屬氧化物半導體氣體傳感器。
[0015]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，所述的中央處理模塊包括:
[0016]特征提取單元:用于接收傳感器信號采集處理模塊傳送的數字信號，提取數字信號的信號特征；所述信號特征包括數字信號的電壓最大值和最小值，或者響應斜率值，或者響應積分值，或者電壓信號進行曲線擬合后的擬合系數，或者電壓信號進行變換后的變換系數；
[0017]預處理單元:用于對特征信號進行預處理，包括信號特征選擇與優化、歸一化和標準化處理；
[0018]模式識別單元:用于根據設定的模式識別算法對所提取到的信號特征進行模式分類和濃度預測，識別車內氣體種類和濃度。
[0019]一種便攜式車內氣體檢測方法，包括以下步驟:
[0020](I)設定采樣時間，通過傳感器陣列對車內的空氣信息進行采集，并將采集到的空氣信息轉變為電壓信號；所述的空氣信息包括空氣中的氣體信息和溫濕度信息；
[0021](2)傳感器信號采集處理模塊對采集到的電壓信號進行AD轉換得到數字信號；
[0022](3)中央處理模塊提取出數字信號的信號特征，根據設定的模式識別算法對所提取到的特征信號進行模式分類和濃度預測，識別出車內氣體的種類和濃度。
[0023]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，步驟(3)中，所述的模式識別算法包括機器學習、數據挖掘和人工智能技術中的模式識別算法。[0024]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，所述的模式識別算法為支持向量機算法。
[0025]進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，步驟(3)中，中央處理模塊通過其模式識別單元進行氣體種類和濃度的識別，模式識別單元采用支持向量機算法進行氣體種類和濃度識別的步驟包括:
[0026]I)將已知的氣體種類和氣體濃度的氣體作為訓練樣本訓練支持向量機，獲取最優分類超平面和最優回歸超平面；所述最優分類超平面是指用于識別氣體種類的分類函數；所述最優回歸超平面是指用于識別氣體濃度的回歸函數；
[0027]2)根據特征提取單元提取到的信號特征信息和最優分類超平面確定所檢測到的氣體的種類，根據特征提取單元提取到的信號特征信息和最優回歸超平面確定所檢測到的氣體的濃度。
[0028]再進一步，如上所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，步驟I)中，獲取最優分類超平面和最優回歸超平面的具體方式為:
[0029]設金屬氧化物半導體氣體傳感器的個數為η個，已知氣體的種類為S，分別對s種氣體進行m次測量，特征提取單元分別對m次測量接收到的數字信號進行信號特征提取，將提取到的信號特征信息記為矩陣X，
【權利要求】
1.一種便攜式車內氣體檢測系統，其特征在于:該系統包括傳感器陣列(1)，傳感器陣列(I)與傳感器信號采集處理模塊(3 )連接，傳感器信號采集處理模塊(3 )與中央處理模塊(4 )連接，中央處理模塊(4 )與結果輸出模塊(5 )連接，其中: 傳感器陣列(I)用于采集車內的空氣信息，并將采集到的空氣信息轉換成電壓信號傳送到傳感器信號采集處理模塊(3);所述的空氣信息包括氣體信息和溫度信息； 傳感器信號采集處理模塊(3)用于接收傳感器陣列(I)傳送的電壓信號，并將電壓信號進行AD轉換得到數字信號； 中央處理模塊(4)用于接收傳感器信號采集處理模塊(3)傳送的數字信號，提取數字信號的信號特征，并根據信號特征利用設定的模式識別算法識別出氣體種類和濃度； 結果輸出模塊(5 )用于輸出中央處理模塊(4 )的識別結果。
2.如權利要求1所述的一種便攜式車內氣體檢測系統,其特征在于:該系統還包括傳感器信號調理電路(2)，傳感器陣列(I)通過傳感器信號調理電路(2)與傳感器信號采集處理模塊(3)連接，傳感器信號調理電路(2)用于對傳感器陣列(I)輸出的電壓信號進行預處理后傳送到傳感器信號采集處理模塊(3);所述的預處理包括濾波、去噪和放大處理。
3.如權利要求1或2所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，其特征在于:所述的傳感器陣列(I)包括多個氣體傳感器、I個溫度傳感器和I個濕度傳感器。
4.如權利要求3所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，其特征在于:所述的氣體傳感器為金屬氧化物半 導體氣體傳感器。
5.如權利要求4所述的一種便攜式車內氣體檢測系統，其特征在于，所述的中央處理模塊(4)包括: 特征提取單元(41):用于接收傳感器信號采集處理模塊(3 )傳送的數字信號，提取數字信號的信號特征；所述信號特征包括數字信號的電壓最大值和最小值，或者響應斜率值，或者響應積分值，或者電壓信號進行曲線擬合后的擬合系數，或者電壓信號進行變換后的變換系數； 預處理單元(42):用于對特征信號進行預處理，包括信號特征選擇與優化、歸一化和標準化處理； 模式識別單元(43):用于根據設定的模式識別算法對所提取到的信號特征進行模式分類和濃度預測，識別車內氣體種類和濃度。
6.一種便攜式車內氣體檢測方法，包括以下步驟: (1)設定采樣時間，通過傳感器陣列對車內的空氣信息進行采集，并將采集到的空氣信息轉變為電壓信號；所述的空氣信息包括空氣中的氣體信息和溫濕度信息； (2)傳感器信號采集處理模塊對采集到的電壓信號進行AD轉換得到數字信號； (3)中央處理模塊提取出數字信號的信號特征，根據設定的模式識別算法對所提取到的特征信號進行模式分類和濃度預測，識別出車內氣體的種類和濃度。
7.如權利要求6所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，其特征在于:步驟(3)中，所述的模式識別算法包括機器學習、數據挖掘和人工智能技術中的模式識別算法。
8.如權利要求7所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，其特征在于:所述的模式識別算法為支持向量機算法。
9.如權利要求8所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，其特征在于:步驟(3)中，中央處理模塊通過其模式識別單元進行氣體種類和濃度的識別，模式識別單元采用支持向量機算法進行氣體種類和濃度識別的步驟包括: 1)將已知氣體種類和氣體濃度的氣體作為訓練樣本訓練支持向量機，獲取最優分類超平面和最優回歸超平面；所述最優分類超平面是指用于識別氣體種類的分類函數；所述最優回歸超平面是指用于識別氣體濃度的回歸函數； 2)根據特征提取單元提取到的信號特征信息和最優分類超平面確定所檢測到的氣體的種類，根據特征提取單元提取到的信號特征信息和最優回歸超平面確定所檢測到的氣體的濃度。
10.如權利要求9所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，其特征在于，步驟I)中，獲取最優分類超平面和最優回歸超平面的具體方式為: 設金屬氧化物半導體氣體傳感器的個數為η個，已知氣體的種類為S，分別對s種氣體進行m次測量，特征提取單元分別對m次測量接收到的數字信號進行信號特征提取，將提取到的信號特征信息記為矩陣X，
11.如權利要求10所述的一種便攜式車內氣體檢測方法，其特征在于，步驟2)中，識別氣體種類和氣體濃度的具體方式為: Α.進行氣體種類識別的具體方式為: 假設通過特征提取單元提取到的待識別氣體的信號特征向量記為矩陣Xtl,將Xtl作為最優分類超平面的輸入得到支持向量分類機輸出即氣體種類信息:
【文檔編號】G01N33/00GK103901162SQ201210590228
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月29日 優先權日:2012年12月29日
【發明者】閆嘉 申請人:北京握奇數據系統有限公司
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